Hình ảnh những bảng mạch sống từ vi khuẩn của nhóm nghiên cứu. Ảnh: MIT

Trong các thiết bị điện tử, các linh kiện bán dẫn transistor hoạt động như công tắc kiểm soát dòng điện. Áp dụng nguyên lý tương tự vào lĩnh vực sinh học, nhóm nghiên cứu đến từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã thiết kế những tế bào vi khuẩn có khả năng bật hoặc tắt dòng chảy của các phân tử, qua đó truyền tín hiệu đến những thành phần khác trong mạch.

Nhóm đã phát triển hai loại “transistor sống” cùng ba chủng vi khuẩn làm nhiệm vụ chuyển tiếp tín hiệu. Với năm chủng vi khuẩn này, các nhà khoa học có thể kết nối chúng thành nhiều cấu trúc khác nhau để thực hiện các phép tính logic.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Chemical Biology cho thấy, nhóm đã tạo ra những bảng mạch có khả năng cộng hai hoặc ba tín hiệu đầu vào, cũng như có thể gửi một tín hiệu đến vị trí cụ thể trong mạch.

“Chúng tôi đã xây dựng một số thành phần kiến trúc máy tính cơ bản vốn thường được sử dụng, nhưng về nguyên tắc, bất kỳ thao tác nào cũng có thể được tạo ra chỉ với năm chủng vi khuẩn này”, ông Hamid Doosthosseini, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Biến tế bào thành công tắc sinh học

Thông thường, các nhà khoa học thiết kế bảng mạch sinh học bằng cách biến đổi gen tế bào để chúng sản xuất protein và các yếu tố phiên mã nhằm thực hiện một nhiệm vụ nhất định. Tuy nhiên, số lượng các thành phần có thể sử dụng trong một tế bào bị giới hạn và việc tích hợp quá nhiều mạch có thể làm quá tải hệ thống sinh học.

Thay vì xây dựng toàn bộ mạch bên trong một tế bào, nhóm nghiên cứu MIT chia nhỏ các chức năng và biến từng tế bào thành một transistor riêng biệt. Những transistor này sau đó được kết nối với nhau để tạo thành các bảng mạch phức tạp hơn.

Sử dụng loại vi khuẩn Pantoea agglomerans thường phát triển nhiều trên các bề mặt, nhóm đã tạo ra 2 loại transistor có phản ứng trái ngược với một phân tử tín hiệu có tên OC-6, một loại có thể bật và một loại có thể tắt.

Mỗi transistor có thể phát hiện sự hiện diện của một phân tử mục tiêu là OC-12. Tùy thuộc vào tín hiệu nhận được và trạng thái bật hoặc tắt, chúng sẽ tạo ra phân tử đầu ra OHC-14 để truyền thông tin đến thành phần tiếp theo.

Ba chủng vi khuẩn khác được sử dụng làm “bộ chuyển tiếp”, giúp chuyển đổi tín hiệu OHC-14 thành tín hiệu đầu vào cho transistor tiếp theo. Nhờ đó, nhóm có thể kết nối những tế bào với nhau theo cách tương tự như lắp ráp một bảng mạch điện tử.

Mỗi cụm vi khuẩn (hay còn gọi là khuẩn lạc) được in trên đĩa với khoảng cách khoảng 5 mm. Khoảng cách này giúp tín hiệu chỉ truyền từ cụm này đến cụm gần nhất, từ đó truyền tiếp sang cụm tiếp theo, tạo ra đường truyền thông tin theo trình tự xác định.

Trong nghiên cứu, nhóm đã chứng minh rằng các transistor sống có thể thực hiện nhiều phép toán logic khác nhau như cổng OR và IMPLY, hay có thể kết hợp chúng để tạo ra các bảng mạch phức tạp có khả năng cộng tín hiệu, xử lý nhiều tín hiệu đồng thời hay mạch giải đa hợp. Bảng mạch lớn nhất mà nhóm thiết kế có 24 cụm vi khuẩn được kết nối với nhau và có thể cộng dồn 2 tín hiệu đầu vào.

Tuy nhiên, tốc độ xử lý của những mạch sống vẫn chậm hơn rất nhiều so với máy tính điện tử. Mỗi phép tính cần khoảng 8 giờ để hoàn thành.

“Chúng tôi không cố gắng thay thế máy tính, mà muốn đưa khả năng điều khiển bằng tính toán vào trong sinh học”, ông Christopher Voigt, Trưởng Khoa Kỹ thuật sinh học tại MIT, nói. “Nếu có vi khuẩn sống trên rễ cây, hoặc bản thân cây thực hiện quá trình tính toán, thì việc hoàn thành một phép tính đơn giản qua đêm vẫn đủ nhanh so với cả một mùa sinh trưởng”.

Nhóm nghiên cứu kỳ vọng công nghệ này có thể được ứng dụng trong nông nghiệp trong tương lai. Các bảng mạch sinh học này có thể được phủ lên lá hoặc rễ cây để phát hiện những dấu hiệu như hạn hán, sâu bệnh hoặc các dạng căng thẳng khác. Khi nhận diện một tín hiệu cụ thể, hệ thống có thể kích hoạt phản ứng phù hợp, chẳng hạn sản xuất các hợp chất chống nấm.